JP4282867B2 - スクリューロータおよびスクリュー機械 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スクリュー機械に適用されるスクリューロータ、および、それを用いたドライ式真空ポンプ等のスクリュー機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高速・長時間の連続運転ができるポンプや圧縮機として、ハウジング内に一対のスクリューロータを有する容積移送型スクリュー機械が知られている。
【０００３】
この種のスクリュー機械、例えばドライ式真空ポンプとして使用されるスクリュー機械では、互いに逆ねじの関係にある雌雄のスクリューロータを平行配置するとともに両ロータを微小クリアランスを隔てて噛み合わせ、両ロータとこれらのロータを取り囲むハウジングとの間に、両ロータの噛合い部で仕切られた作業室を形成している。また、雌雄スクリューロータを同期回転させることで、雌雄スクリューロータをほぼ非接触状態としながら、その作業室の容積を吸気側で増大させ、排気側で減少させるようになっている。
【０００４】
また、真空ポンプにおいては、一般に、その到達圧力と排気速度という２つの重要性能が高度に要求されるが、ドライ式真空ポンプのようなスクリュー機械では、平行配置される雌雄のスクリューロータの噛合い、並びに両ロータとハウジングの間のクリアランスがいずれの性能にも大きく影響する。したがって、このようなスクリュー機械では、雌雄のスクリューロータの隙間間隔やハウジングとのクリアランスを極力小さくすることで、その性能の向上が図られている。
【０００５】
なお、前記スクリュー機械には、リショルム型、角ねじ型（クインビー形（角形）の歯形を有するもの）、スパイラキシャル型（エピトロコイドとアルキメデス螺線で合成したスパイラキシャルスクリュー（spiraxial screw）歯形を有するもの）といった形式のものがあり、リショルム型では4条以上でオスロータに対しメスロータの条数を１つ増やしたものが、角ねじ型、スパイラキシャル型では雌雄ロータ共に1条のものが、多用されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のスクリュー機械にあっては、雌雄のスクリューロータの噛合部で両ロータの相対的な周速度の差が生じるロータ形状となっていたため、噛合部の隙間が小さい両スクリューロータが大負荷で高速・長時間連続運転等されることで熱膨張し、両ロータが摺接して、雌雄のスクリューロータ間で焼付きが生じてしまうことがあった。そのため、このような熱膨張によるロータ間の焼付きが生じないように、ポンプ性能をある程度犠牲にしても、ロータ間の噛合い隙間を確保しなければならないという問題があった。
【０００７】
さらに、角ねじ型やスパイラキシャル型の場合には、回転軸と直交する横断面においてその重心位置が回転中心からは大きくずれてしまうため、偶力バランスをとるためにスクリューロータの端面に開口する鋳抜き穴等によって大きな空洞を形成する必要があり、製造工程が複雑になっていた。
【０００８】
そこで本発明は、スクリューロータ間の噛合隙間を小さくして性能向上を図り、これと併せて、長時間の高速連続運転であってもロータ間の焼付きを有効に防止できるスクリュー機械を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、回転軸の周りに、螺旋状の歯先面部および該歯先面部の間に螺旋状の溝を形成する歯元面部を有するスクリュー歯を設け、互いに逆ねじの関係となる雌雄一対で使用されるスクリューロータにおいて、前記スクリュー歯の歯先面部と歯元面部の間に、前記回転軸と直交する任意の横断面上で一定半径を有する所定角度範囲の円弧となるピッチ円周部を設け、前記雌雄一対のうち相手側ロータに噛み合うとき、雌雄のスクリュー歯の噛合い隙間のうちピッチ円周部間の隙間が、他の部分の隙間より小さくなるよう、前記ピッチ円周部の半径を設定したことを特徴とする。
【００１０】
この発明では、雌雄のスクリューロータ同士が噛み合うとき、雌雄のスクリュー歯の噛合い隙間のうちピッチ円周部間の隙間が、他の部分の隙間より小さくなることから、ロータ間の噛合い隙間がピッチ円周部同士の間で狭くなるものの、スクリューロータが熱膨張したときには、一定半径のピッチ円周部同士が最初に当接して転がり接触することになり、両ロータの歯部が摺接してしまう従来機に比べ、焼付きが生じ難い。また、回転軸と直交する断面上において重心位置が回転中心から大きくはずれてしまうことはなく、鋳抜き等による複雑な空洞を形成する必要がなくなり、製造コストの低減が可能となる。
【００１１】
前記ピッチ円周部が、前記歯先面部と前記歯元面部とのほぼ中間の半径位置に帯状に形成されるようにすると、各ロータの歯形を共通化して加工を容易化することができるとともに、一定幅をもつピッチ円周部によってスクリューロータの噛合い部における所要のシール性能が発揮できる。
【００１２】
本発明におけるスクリュー機械は、上記スクリューロータを互いに噛み合う雌雄のロータとし、吸気口および排気口を形成したハウジング内に、両ロータを非接触噛合状態で噛み合うよう平行に収納して、該ハウジングと両ロータとの間に、前記スクリューロータの回転によって前記回転軸の軸方向に移送され、前記吸気口に連通する移送区間で容積を増大させるとともに、前記排気口に連通する移送区間で容積を減少させる複数の作業室を形成したことを特徴とする。
【００１３】
この発明では、スクリューロータが熱膨張したときには、一定半径のピッチ円周部同士が最初に当接して転がり接触することで焼付きが生じ難くなる。しかも、ロータ間の噛合い隙間自体はピッチ円周部間で狭くしておくことができるから、効率の向上が可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図６は本発明の一実施形態に係るスクリューロータおよびスクリュー機械を示す図である。
【００１５】
この実施形態のスクリュー機械は、本発明をドライ式真空ポンプに適用したもので、吸気口１１ａおよび排気口１１ｂを形成したハウジング１１と、このハウジング１１内に所定のクリアランス（微小隙間）をもって非接触噛合状態で互いに噛み合うよう平行に収納された雌雄のスクリューロータ２１、２２と、これらハウジング１１およびスクリューロータ２１、２２の間に介装された軸受２３ａ、２３ｂおよび軸穴封止用のシール部材２４ａ、２４ｂと、両ロータ２１、２２を逆方向に同期回転させるようスクリューロータ２１、２２に一体的に装着された同期歯車２５ａ、２５ｂおよびロータ２２の一端に連結されたモータ２６を有する駆動手段２７と、を具備している。
【００１６】
雌側スクリューロータ２１と雄側スクリューロータ２２とは、ハウジング１１の内壁面１１ｉに対して所定のクリアランス、例えば５０ミクロンの隙間を隔てる外径寸法および軸方向長さを有しており、ハウジング１１と両スクリューロータ２１、２２との間には、スクリューロータ２１、２２の噛合部分で互いに仕切られ、かつスクリューロータ２１、２２の回転によって回転軸の軸方向に移送される複数の螺旋形状の作業室３１が形成されている。
【００１７】
これらの作業室３１は、スクリューロータ２１、２２の回転に伴って、図１中の左端側の移送区間でその容積を増大させるとともに、その容積増大中に図２に示すようにハウジング１１の吸気口１１ａに連通し、吸気完了後に図１中の右側に移送され、図１中の右端側の移送区間ではその容積を減少させる。そして、作業室３１の容積が所定容積以下になる圧縮完了域で、図１中の右端側の作業室３１が排気口１１ｂに連通し、排気がなされるようになっている。
【００１８】
具体的には、スクリューロータ２１には、図３および図４に示すように、回転軸Ｃ1の周りに、螺旋状のスクリュー歯２１１が設けられており、そのスクリュー歯２１１は、螺旋帯状の歯先面部２１１ａと、その歯先面部２１１ａの間に螺旋状の所定溝幅の溝２１１ｂを形成する歯元面部２１１ｃと、を有している。また、スクリュー歯２１１の歯先面部２１１ａと歯元面部２１１ｃの間には、ピッチ円周部２１１ｐと、このピッチ円周部２１１ｐより歯先面部２１１ａ側の歯先側傾斜面２１１ｄと、ピッチ円周部２１１ｐより歯元面部２１１ｃ側の歯元側傾斜面２１１ｅと、が設けられている。
【００１９】
一方、スクリューロータ２２には、スクリューロータ２１とは逆ねじの関係となるように、その回転軸Ｃ2の周りに、螺旋状のスクリュー歯２２１が設けられており、そのスクリュー歯２２１は、螺旋帯状の歯先面部２２１ａと、その歯先面部２２１ａの間に螺旋状の所定溝幅の溝２２１ｂを形成する歯元面部２２１ｃと、を有している。また、スクリュー歯２２１の歯先面部２２１ａと歯元面部２２１ｃの間には、ピッチ円周部２２１ｐと、このピッチ円周部２２１ｐより歯先面部２２１ａ側の歯先側傾斜面２２１ｄと、ピッチ円周部２２１ｐより歯元面部２２１ｃ側の歯元側傾斜面２２１ｅと、が設けられている。
【００２０】
これらスクリューロータ２１、２２のピッチ円周部２１１ｐ、２２１ｐは、図４に示すように、回転軸Ｃ1、Ｃ2と直交する軸直角断面（横断面）上において、それぞれ回転軸Ｃ1、Ｃ2の軸間距離の略1／2（軸間距離の１/2より微小隙間ｇ1の１/2だけ小さい半径）に相当する一定半径ｒp（互いに同一の半径）を有するとともに、所定角度範囲、互いに同一角度範囲θ3の円弧となるらせん帯状の曲面状形を有している。このピッチ円周部２１１ｐ、２２１ｐの形状は、各スクリューロータ２１、２２の縦断面中では、図５に示すように歯先面部２２１ａおよび歯元面部２２１ｃと略平行な平坦な輪郭となり、先側傾斜面２２１ｄおよび歯元側傾斜面２２１ｅと共に階段状の歯形を形成している。なお、ピッチ円周部２１１ｐ、２２１ｐの角度範囲θ3と同様に、図４中におけるロータ２２の歯先面部２２１ａの角度範囲はロータ２１の横断面上における歯先面部２１１ａの角度範囲θ1と同一であり、ロータ２２の歯元面部２２１ｃの角度範囲はロータ２１の横断面上における歯元面部２１１ｃの角度範囲θ2と同一である。これらの角度範囲θ1、θ2、θ3は、任意の値に設定でき、ピッチ円周部２１１ｐ、２２１ｐの角度範囲θ3は、例えば５°≦θ3 ＜１８０°の範囲で設定できる。
【００２１】
また、各スクリューロータ２１、２２の歯先面部２１１ａ、２２１ａとピッチ円周部２１１ｐ、２２１ｐの間の接続部は、各ロータ２１、２２の横断面上で滑らかにつながる、例えば円弧状の接続曲線となり、各スクリューロータ２１、２２のピッチ円周部２１１ｐ、２２１ｐと歯元面部２１１ｃ、２２１ｃの間の接続部は、各ロータ２１、２２の横断面上で滑らかにつながるよう前記接続曲線により求められた創生曲線となり、各スクリューロータ２１、２２の歯先面部２１１ａ、２２１ａと歯元面部２１１ｃ、２２１ｃの間の接続部は、各ロータ２１、２２の横断面上で、相手側スクリューロータ２２、２１の歯先（歯先面部２２１ａ、２１１ａの一側端部）が描くトロコイド曲線となるよう、それぞれの接続形状が設定されている。
【００２２】
さらに、図５に示すように、スクリューロータ２１、２２は、互いに雌雄が逆となる相手側ロータに噛み合うとき、雌雄のスクリュー歯２１１、２２１の噛合い隙間のうちピッチ円周部２１１ｐ、２２１ｐ間の隙間ｇ1（対向面間の隙間、例えば２０μm）が、他の噛合部分の隙間ｇ2、ｇ3、ｇ4（対向面間の隙間、例えば５０μm）等より小さくなるよう、ピッチ円周部２１１ｐ、２２１ｐの半径およびスクリュー歯形（各ロータ縦断面におけるスクリュー歯形状）が設定されている。
【００２３】
また、図６（ａ）に示すように、スクリューロータ２１、２２は、それぞれ回転軸Ｃ1、Ｃ2と直交する断面上において、重心位置ｗpは回転中心Ｃ1、Ｃ2から所定のオフセット量Ｓ1だけ偏心する。このオフセット量Ｓ1（例えば４．４８７mm）は、図６（ｂ）に示すスパイラキシャル型スクリューロータＲ10におけるオフセット量Ｓ2（ロータ２１、２２と同等の排気断面積、ロータ径を持つ場合で例えば４．９３８mm）、あるいは、図６（ｃ）に示す角ねじ型スクリューロータＲ20におけるオフセット量Ｓ3（ロータ２１、２２と同等の排気断面積、ロータ径を持つ場合で例えば６．０３２mm）と比較すると、小さくなる（ピッチ円周部２１１ｐ、２２１ｐの角度範囲θ3が大きくなるほどオフセット量Ｓ1を相対的に小さくすることができる）。しかしながら、全体としての重心位置を回転中心軸線上に位置させるよう、本実施形態のスクリューロータ２１、２２は、そのリード数を整数（例えば３）としたもの、すなわち、リードの整数倍のスクリュー長を有するものとなっている。
【００２４】
次に、作用について説明する。
上述のように構成された本実施形態のスクリュー機械では、通常の運転開始時又は運転中、雌雄のスクリューロータ２１、２２同士が微小クリアランスを隔てた非接触噛合状態で噛み合う。このとき、雌雄のスクリュー歯２１１、２２１の噛合い隙間のうちピッチ円周部２１１ｐ、２２１ｐ間の隙間ｇ1が、他の各噛合部分の隙間ｇ2、ｇ3、ｇ4等より小さくなることから、ロータ２１、２２間の噛合い隙間がピッチ円周部２１１ｐ、２２１ｐ同士の間で狭くなるものの、スクリューロータ２１、２２が高速・長時間連続運転等によって熱膨張したときには、一定半径のピッチ円周部２１１ｐ、２２１ｐ同士が最初に当接して転がり接触することになり、両ロータ２１、２２の歯部２１１、２２１が摺接してしまう従来機に比べ、焼付きが生じ難い。したがって、従来のように、焼付き防止のために不必要にクリアランスを拡大し、ポンプ性能や圧縮機性能を犠牲にする、ということがなくなる。よって、高性能のスクリュー機械を提供することができる。
【００２５】
また、スクリューロータ２１、２２は、同等の排気断面積、ロータ径を持つスパイラキシャル型スクリューロータＲ10や角ねじ型スクリューロータＲ20に比べて重心位置の回転中心Ｃ1、Ｃ2からのオフセットが小さくなるから、リード数を整数にして重心位置を回転中心軸上に位置させることと相俟って、偶力バランスをとるための鋳抜き等による複雑な空洞を形成する必要がなくなり、簡単な浅い凹部を形成する程度に加工工数を減らすことができる。
【００２６】
また、ピッチ円周部２１１ｐ、２２１ｐが、歯先面部２１１ａ、２２１ａと歯元面部２１１ｃ、２２１ｃとのほぼ中間の半径位置に帯状に形成されているので、ロータ２１、２２の歯形を共通化して加工の容易化を図ることができるとともに、一定幅をもつピッチ円周部２１１ｐ、２２１ｐによってスクリューロータ２１、２２の噛合い部（隣接作業室３１間）における所要のシール性能が発揮されることになる。
【００２７】
図７および図８は本発明の他の実施形態に係るスクリューロータを示す図であり、スクリュー機械のロータ以外の構成は上述の実施形態とまったく同様である。
【００２８】
この実施形態のスクリューロータ１２１、１２２は、上述の実施形態の場合と同様にリード数を整数にしてロータ全体での重心位置を回転中心軸上に位置させたものであるが、更に、偶力バランスをとるための簡単な浅い凹部を形成したものとなっている。すなわち、重心位置が全体として回転中心軸上にあっても軸方向に離間し逆方向に偏心した重心を考察すると、両部分の遠心力が偶力を生じ、両端側の軸受けの側圧バランスを悪化させる、すなわち偶不つりあいを生じる。このような偶力を相殺しバランスさせるために、本実施形態のスクリューロータ１２１、１２２においては、軸方向両端面に開口する有底円筒状の複数の凹部１２１ｈ1、１２１ｈ2、１２２ｈ1、１２２ｈ2が所定半径位置に少なくとも1つ、例えばほぼ一定の深さで形成されている。勿論、偶力バランス調整のための凹部の数や位置、深さ等は、適宜設定することができる。これ以外の構成は上述の実施形態と同様である。
【００２９】
本実施形態においても、上述の実施形態と同様な効果が得られる。しかも、本実施形態においては、偶力バランス用の凹部１２１ｈ1、１２１ｈ2、１２２ｈ1、１２２ｈ2を同一径の丸穴状の凹部形状としているので、簡単な加工で偶力バランス調整をも行うことができる。
【００３０】
なお、上述の実施形態においては、各スクリューロータをねじのリードが吸気側から排気側まで等しいものとして説明したが、例えば圧縮側のリードが吸気側より小さくなるよう、互いにリードの異なる複数のスクリュー部を設けたもの、あるいは、排気側に近付くほどスクリュー歯間のピッチが無段階に徐々に狭くなっていくようなものであってもよい。すなわち、不等リードのスクリューロータとすることができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、連続・高速運転等によりスクリューロータが熱膨張したとき等に、一定半径のピッチ円周部同士を最初に当接させて転がり接触させ、両ロータの歯部が摺接することにより焼付きが生じるのを防止することができる。その結果、排気性能を犠牲にしても焼付き防止のためにスクリューロータの噛合い隙間を大きく設定しなければならないという従来の問題を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るスクリュー機械の概略の内部構造を示す要部正面断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るスクリュー機械のスクリューロータ付近の横断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る雌雄のスクリューロータの噛合状態を示す正面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る雌雄のスクリューロータの噛合隙間の設定状態を示すその噛合部の模式断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るスクリューロータの横断面上における重心位置を説明する図であり、（ａ）はその一実施形態のスクリューロータの横断面図、（ｂ）は比較例としてのスパイラキシャル型ロータの横断面図、（ｃ）は他の比較例としての各ねじ型ロータの横断面図である。
【図７】本発明の他の実施形態に係る雌雄のスクリューロータの噛合状態を示す正面図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係る雌雄のスクリューロータの両端面形状を示す図で、（ａ）はその左側面図、（ｂ）はその右側面図である。
【符号の説明】
１１ ハウジング
１１ａ 吸気口
１１ｂ 排気口
２１ 雌側スクリューロータ
２２ 雄側スクリューロータ
２５ａ、２５ｂ 同期歯車
２６ モータ
３１ 作業室
１２１、１２２ スクリューロータ
１２１ｈ1、１２１ｈ2、１２２ｈ1、１２２ｈ2 凹部
２１１、２２１ スクリュー歯
２１１ａ、２２１ａ 歯先面部
２１１ｃ、２２１ｃ 歯元面部
２１１ｄ、２２１ｄ 歯先側傾斜面
２１１ｅ、２２１ｅ 歯元側傾斜面
２１１ｐ、２２１ｐ ピッチ円周部
θ3 角度範囲

Claims (3)

1. 回転軸の周りに、螺旋状の歯先面部および該歯先面部の間に螺旋状の溝を形成する歯元面部を有するスクリュー歯を設け、互いに逆ねじの関係となる雌雄一対で使用されるスクリューロータにおいて、
   前記スクリュー歯の歯先面部と歯元面部の間に、前記回転軸と直交する任意の横断面上で一定半径を有する所定角度範囲の円弧となるピッチ円周部を設け、
   前記雌雄一対のうち相手側ロータに噛み合うとき、雌雄のスクリュー歯の噛合い隙間のうちピッチ円周部間の隙間が、他の部分の隙間より小さくなるよう、前記ピッチ円周部の半径を設定したことを特徴とするスクリューロータ。
2. 前記ピッチ円周部が、前記歯先面部と前記歯元面部とのほぼ中間の半径位置に帯状に形成されたことを特徴とする請求項１に記載のスクリューロータ。
3. 請求項１又は２に記載のスクリューロータを互いに噛み合う雌雄のロータとし、
   吸気口および排気口を形成したハウジング内に、両ロータを非接触噛合状態で噛み合うよう平行に収納して、
   該ハウジングと両ロータとの間に、前記スクリューロータの回転によって前記回転軸の軸方向に移送され、前記吸気口に連通する移送区間で容積を増大させるとともに、前記排気口に連通する移送区間で容積を減少させる複数の作業室を形成したことを特徴とするスクリュー機械。

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